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Dimensionen und Grössenordnungen

Betrachtet man ein geschlossenes System, so ist es wichtig sich von vorne herein im klaren zu sein, welche Grössenordnungen das System dominieren.

Im Bauwesen sind die Strukturstärken im cm-Bereich, die Strukturlängen im Meter-Bereich. Ferner haben die dominanten Strukturen Massen von Tonnen, ganze Häuser typischerweise solche von Hunderten von Tonnen. Da die Strukturen in Raummassen wahrgenommen werden, interessieren vor allem die Kubaturen. Werden die wärmetechnischen Parameter nicht auf die Masse sondern auf das Volumen bezogen, so erleichtert dies das Leben. 

Das Baugewerbe arbeitet des weiteren montagetechnisch gesehen mit gewerbespezifischen Massen und Dimensionen. Diese liegen für statische, formtechnische und ästhetische Bereiche oft in typischen Grössenordnungen

Strukturelement           Mass - Bereich 
Raumdimensionen 1-10m
Statik10-100cm
Raumtrennung5-10cm
Wandverkleidung 1-5cm
Ästhetik 1-10mm

 

Ist also ein Haus Mantel-isoliert, so schliesst man einen Raum von vielleicht 1000 m3 ein, davon nimmt die Struktur vielleicht bis zu 100 m3 ein. Daneben hat man vielleicht einen Boiler von 200 Litern Wasser, dann sind das 0,2 m3, - da bewegen wir also schon in mehreren Grössenordnungen. Die Wärmespeichermenge korrelliert grundsätzlich langfristig mit dem Volumen.

Wie eine Wärmestruktur dynamisch reagiert, hat zudem nicht nur mit der Materialwahl allein zu tun, sondern auch mit der Geometrie der Struktur, der Dicke, der Anordnung und der Abfolge der Materialschichten.

Was die Dicke betrifft, so ist im statischen Fall die Geschichte relativ einfach, - je dicker eine Wandstärke desto mehr Widerstand bringt sie gegen die Wärmetransmission auf (Wärmeleitung).

Das Wärmegleichgewicht braucht eine gewisse Zeit um sich signifikant einzupendeln (typische Orientierungsgrösse: Zeitkonstante). Es "fliessen" in der Struktur kapazitive Ströme, welche den Effekt der Wärmeleitung zeitlich überlagern. Die Grössenordnung dieser Zeitkonstanten reichen von Minuten für dünne Schichten bis zu Monaten für sehr mächtige massive Strukturen.

a)

Raumdimensionen

Die Raumdimensionen spielen sich im Meterbereich ab. Diese Dimensionen definieren schliesslich das Volumen unserer eigentlichen Komfortzone unseres Wärmehaushalts, - die Raumluft. Typischerweise haben wir es im klassischen Wohnbereich mit Hunderten von Kubikmetern Luft zu tun. 

Wegen seiner kleinen Wärmekapazität ist die Luft ein bescheidener und sehr idealer Wärmeträger, da er sehr wenig Wärmemenge braucht um auf Temperatur zu kommen. Mit einem Liter Erdöl kann man theoretisch 1000 Kubikmeter Luft um 10 Grad erhitzen. Sonneneinstrahlung hat also selbst im Winter mit wenigen 100 W/m2 schnell grosse Aufwärmeeffekte. Das Raumklima ist nicht zuletzt dank den Wärmeeigenschaften der Luft auch bei schwierigen Strukturen mit genügend Leistung noch zu beherrschen.

Wasser hat volumenbezogene Speichereigenschaften die 1000 mal grösser sind. Seine Temperatur zu ändern braucht also viel mehr Leistung um etwas bewirken zu können. Oft werden drum für Speicherzwecke Wasserspeicher eingesetzt.

b)

Statik

Die Statik determinierenden Bauelmente varieren je nach Bautyp. Meist sind statisch bedeutende Bausegmente aus massiven Werkstoffen konstruiert, die bekannterweise naturgemäss hohe Wärmekapazitäten aufweisen. Diese Bausegmente haben typische Konstruktionsdimensionen im "Dezimeter"- Bereich.

In traditionell gemauerten Gebäuden mag diese Komponente bis 100 Kubikmeter ausmachen, bei modernen Holzbauten mag sich diese auf wenige Kubikmeter reduzieren. Speziell in südlichen Ländern wurde aus gutem Grund massiv Speichermasse eingebaut, um ganze Jahreszeiten zu glätten.

c)

Formelemente

Formelemente haben Materialstärken von Zentimetern bis Dezimeter. Sie können aus massiven wärmekapazitiven Materialien bestehen, oder aber auch aus Leichtbaustoffen. Hierzu gehören viele Verbundholzplatetten Gipsplatten usw.

Im kurzfristigen Tageszeitsegment haben die formgebenden Bauelemente eine wichtige Funktion. Sie können intelligent in die Wärmestruktur eingebunden werden um die situativen Wärmebilder etwas zu absorbieren.

Formelmente können die Charakteristik des Raumklimas durchaus entscheidend beeinflussen, wenn es zum Beispiel darum geht, Räume zu trennen oder Durchgänge zu dimensionieren, was sich stark auf die Charakterisitk der Luftzirkulation auswirken kann und die grossräumige Wärmeverteilung zwischen Quellen (zB. Radiatoren) und Struktur determiniert.

Gerade in ungeregelten Wärmesystemen zeigt sich diese Schicht bei Aufheizvorgängen, Nachtabsenkung, usw.

d)

Ästhetik

Und schliesslich kennen wir noch die Schichten fürs Auge, die hauptsächlich ästhetische und hygienische Funktionen erfüllen, unter anderem für Dichtigkeit sorgen und meist im Milimeterbereich liegen:

  • Putze
  • Täfer
  • Anstriche
  • Plättli

Gerade bei Keramikbelägen ist die Wärmekapazität nicht zu unterschätzen.

Die entscheidende Charakterisik liegt hier vielleicht in der Beeinflussung des Wärmeübergang, der durch die mikrotechnische Wärmeströmung an der Wandoberfläche beeinflusst wird. Ein rauer Verputz hat hier andere Strömungseigenschaften als eine Keramikfliese.